统考版2024届高考化学二轮专项分层特训卷练28化学反应原理的综合应用（附解析）

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（1）已知下列反应的热化学方程式：
①3O2（g）===2O3（g） K1 ΔH1＝285kJ·ml－1
②2CH4（g）＋O2（g）===2CH3OH（l） K2 ΔH2＝－329kJ·ml－1
反应③CH4（g）＋O3（g）===CH3OH（l）＋O2（g）的ΔH3＝ kJ·ml－1，平衡常数K3＝ （用K1、K2表示）。
（2）
电喷雾电离等方法得到的M＋（Fe＋、C＋、Ni＋等）与O3反应可得MO＋。MO＋与CH4反应能高选择性地生成甲醇。分别在300K和310K下（其他反应条件相同）进行反应MO＋＋CH4===M＋＋CH3OH，结果如图所示。图中300K的曲线是 （填“a”或“b”）。300K、60s时MO＋的转化率为 （列出算式）。
（3）MO＋分别与CH4、CD4反应，体系的能量随反应进程的变化如下图所示（两者历程相似，图中以CH4示例）。
（ⅰ）步骤Ⅰ和Ⅱ中涉及氢原子成键变化的是 （填“Ⅰ”或“Ⅱ”）。
（ⅱ）直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢，则MO＋与CD4反应的能量变化应为图中曲线 （填“c”或“d”）。
（ⅲ）MO＋与CH2D2反应，氘代甲醇的产量CH2DOD CHD2OH（填“＞”“＜”或“＝”）。若MO＋与CHD3反应，生成的氘代甲醇有 种。
2．[2023·全国乙卷]硫酸亚铁在工农业生产中有许多用途，如可用作农药防治小麦黑穗病，制造磁性氧化铁、铁催化剂等。回答下列问题：
（1）在N2气氛中，FeSO4·7H2O的脱水热分解过程如图所示：
根据上述实验结果，可知x＝ ，y＝ 。
（2）已知下列热化学方程式：
FeSO4·7H2O（s）===FeSO4（s）＋7H2O（g） ΔH1＝akJ·ml－1
FeSO4·xH2O（s）===FeSO4（s）＋xH2O（g） ΔH2＝bkJ·ml－1
FeSO4·yH2O（s）===FeSO4（s）＋yH2O（g） ΔH3＝ckJ·ml－1
则FeSO4·7H2O（s）＋FeSO4·yH2O（s）＝2（FeSO4·xH2O）（s）的ΔH＝ kJ·ml－1。
（3）将FeSO4置入抽空的刚性容器中，升高温度发生分解反应：2FeSO4（s）⇌Fe2O3（s）＋SO2（g）＋SO3（g）（Ⅰ）。平衡时peq \a\vs4\al(SO3)­T的关系如下图所示。660K时，该反应的平衡总压p总＝ kPa、平衡常数Kp（Ⅰ）=== （kPa）2。Kp（Ⅰ）随反应温度升高而 （填“增大”“减小”或“不变”）。
（4）提高温度，上述容器中进一步发生反应2SO3（g）⇌2SO2（g）＋O2（g）（Ⅱ），平衡时peq \a\vs4\al(O2)＝ （用peq \a\vs4\al(SO3)、peq \a\vs4\al(SO2)表示）。在929K时，p总＝84.6kPa，peq \a\vs4\al(SO3)＝35.7kPa，则peq \a\vs4\al(SO2)＝ kPa，Kp（Ⅱ）＝ kPa（列出计算式）。
3．[2023·新课标卷]氨是最重要的化学品之一，我国目前氨的生产能力位居世界首位。回答下列问题：
（1）根据图1数据计算反应eq \f(1,2)N2（g）＋eq \f(3,2)H2（g）===NH3（g）的ΔH＝ kJ·ml－1。
（2）研究表明，合成氨反应在Fe催化剂上可能通过图2机理进行（*表示催化剂表面吸附位，N eq \\al(\s\up1(*),\s\d1(2)) 表示被吸附于催化剂表面的N2）。判断上述反应机理中，速率控制步骤（即速率最慢步骤）为 （填步骤前的标号），理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（3）合成氨催化剂前驱体（主要成分为Fe3O4）使用前经H2还原，生成α­Fe包裹的Fe3O4。已知α­Fe属于立方晶系，晶胞参数a＝287pm，密度为7.8g·cm－3，则α­Fe晶胞中含有Fe的原子数为 （列出计算式，阿伏加德罗常数的值为NA）。
（4）在不同压强下，以两种不同组成进料，反应达平衡时氨的摩尔分数与温度的计算结果如下图所示。其中一种进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25，另一种为xH2＝0.675、xN2＝0.225、xAr＝0.10。（物质i的摩尔分数：xi＝eq \f(ni,n总)）

①图中压强由小到大的顺序为 ，判断的依据是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
②进料组成中含有惰性气体Ar的图是 。
③图3中，当p2＝20MPa、xNH3＝0.20时，氮气的转化率α＝ 。该温度时，反应eq \f(1,2)N2（g）＋eq \f(3,2)H2（g）⇌NH3（g）的平衡常数Kp＝ （MPa）－1（化为最简式）。
4．[2023·广东普通高中质量测评]水煤气变换反应主要应用在以煤、石油和天然气为原料的制氢工业和合成氨工业中，我国学者破解了低温下高转化率与高反应速率不能兼得的难题。回答下列问题：
（1）通过计算机模拟，我国学者研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图甲所示，*代表吸附在催化剂表面。由图甲可知，水煤气变换反应的ΔH 0（填“>”“0。
在pMPa时，将CO2和CH4按物质的量之比为1∶1充入密闭容器中，分别在无催化剂及ZrO2催化下反应相同时间，测得CO2的转化率与温度的关系如图乙所示：
（3）a点CO2转化率相等的原因是________________________________________________________________________。
（4）在pMPa、900℃、ZrO2催化条件下，将CO2、CH4、H2O（g）按物质的量之比为1∶1∶n充入密闭容器，CO2的平衡转化率α大于50%，解释说明原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________，
此时平衡常数Kp＝ （以分压表示，分压＝总压×物质的量分数；写出含α、n、p的计算表达式）。
Ⅲ.CO2电化学还原制HCOOH
（5）一种CO2电化学制甲酸的装置如图丙所示，电极a为 极（填“正”或“负”），写出电极b的电极反应式：________________________________________________________________________。
6．[2023·石家庄第二中学高三开学考]CO2的资源化可以推动经济高质量发展和生态环境质量的持续改善，回答下列问题：
Ⅰ.CO2和CH4都是主要的温室气体。已知25℃时，相关物质的燃烧热数据如表：
（1）25℃时，CO2（g）和CH4（g）生成水煤气的热化学方程式为________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
（2）在恒温恒容装置中通入等体积CO2和CH4，发生上述反应，起始压强为p，CO2的平衡转化率为α。达平衡时，容器内总压为 。该反应的平衡常数Kp＝ （用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数）。
Ⅱ.CO2制甲醇反应为CO2（g）＋3H2（g）⇌CH3OH（g）＋H2O（g） ΔH＝－49.0kJ·ml－1。起始投料为eq \f(n（H2）,n（CO2）)＝3不变，研究不同温度、压强下，平衡时甲醇的物质的量分数[x（CH3OH）]的变化规律如图所示。其中x（CH3OH）－p图在T＝250℃下测得，x（CH3OH）－T图在p＝5×105Pa下测得。
（3）图中等压过程的曲线是 （填“a”或“b”），判断的依据是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________；
（4）当x（CH3OH）＝0.10时，反应条件可能为 或 。
Ⅲ.运用电化学原理可以很好利用CO2资源。
（5）火星大气由96%的二氧化碳气体组成，火星探测器采用Li­CO2电池供电，其反应机理如图：
电池中的“交换膜”应为 （填“阳离子”或“阴离子”）交换膜。写出CO2电极的反应式：_____________________________________________________________
________________________________________________________________________。
练28 化学反应原理的综合应用
1．答案：（1）－307 （eq \f(K2,K1)）eq \s\up6(\f(1,2))或eq \r(\f(K2,K1))
（2）b eq \f(100.1－1,100.1)×100%
（3）Ⅰ c ＜ 2
解析：（1）根据盖斯定律可知，反应③＝eq \f(1,2)×（②－①），所以对应ΔH3＝eq \f(1,2)（ΔH2－ΔH1）＝eq \f(1,2)（－329kJ·ml－1－285kJ·ml－1）＝－307kJ·ml－1；根据平衡常数表达式与热化学方程式之间的关系可知，对应化学平衡常数K3＝（eq \f(K2,K1)）eq \s\up6(\f(1,2))或eq \r(\f(K2,K1))；
（2）根据图示信息可知，纵坐标表示－lg[eq \f(c（MO＋）,c（MO＋）＋c（M＋）)]，即与MO＋的微粒分布系数成反比，与M＋的微粒分布系数成正比。则同一时间内，b曲线生成M＋的物质的量浓度比a曲线的小，证明化学反应速率慢，又因同一条件下降低温度化学反应速率减慢，所以曲线b表示的是300K条件下的反应；
根据上述分析结合图像可知，300K、60s时－lg[eq \f(c（MO＋）,c（MO＋）＋c（M＋）)]＝0.1，
则eq \f(c（MO＋）,c（MO＋）＋c（M＋）)＝10－0.1，利用数学关系式可求出c（M＋）＝（100.1－1）c（MO＋），根据反应MO＋＋CH4===M＋＋CH3OH可知，生成的M＋即为转化的MO＋，则MO＋的转化率为eq \f(100.1－1,100.1)×100%；
（3）（ⅰ）步骤Ⅰ涉及的是碳氢键的断裂和氢氧键的形成，步骤Ⅱ中涉及碳氧键形成，所以符合题意的是步骤Ⅰ；
（ⅱ）直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢，则此时正反应活化能会增大，根据图示可知，MO＋与CD4反应的能量变化应为图中曲线c；
（ⅲ）MO＋与CH2D2反应时，因直接参与化学键变化的元素被替换为更重的同位素时，反应速率会变慢，则单位时间内产量会下降，则氘代甲醇的产量CH2DOD＜CHD2OH；根据反应机理可知，若MO＋与CHD3反应，生成的氘代甲醇可能为CHD2OD和CD3OH，共2种。
2．答案：（1）4 1 （2）（a＋c－2b）
（3）3 2.25 增大
（4）eq \f(p\a\vs4\al(SO2)－p\a\vs4\al(SO3),4) 46.26 eq \f(46.262×2.64,35.72)
解析：（1）由图中信息可知，当失重比为19.4%时，FeSO4·7H2O转化为FeSO4·xH2O，则eq \f(18（7－x）,278)＝19.4%，解得x＝4；当失重比为38.8%时，FeSO4·7H2O转化为FeSO4·yH2O，则eq \f(18（7－y）,278)＝38.8%，解得y＝1。
（2）①FeSO4·7H2O（s）===FeSO4（s）＋7H2O（g） ΔH1＝akJ·ml－1
②FeSO4·xH2O（s）===FeSO4（s）＋xH2O（g） ΔH2＝bkJ·ml－1
③FeSO4·yH2O（s）===FeSO4（s）＋yH2O（g） ΔH3＝ckJ·ml－1
根据盖斯定律可知，①＋③－②×2可得FeSO4·7H2O（s）＋FeSO4·yH2O（s）===2（FeSO4·xH2O）（s），则ΔH＝（a＋c－2b）kJ·ml－1。
（3）将FeSO4置入抽空的刚性容器中，升高温度发生分解反应：2FeSO4（s）⇌Fe2O3（s）＋SO2（g）＋SO3（g）（Ⅰ）。由平衡时peq \a\vs4\al(SO3)­T的关系图可知，660K时，peq \a\vs4\al(SO3)＝1.5kPa，则peq \a\vs4\al(SO2)＝1.5kPa，因此，该反应的平衡总压p总＝3kPa、平衡常数Kp（Ⅰ）＝1.5kPa×1.5kPa＝2.25（kPa）2。由图中信息可知，peq \a\vs4\al(SO3)随着温度升高而增大，因此，Kp（Ⅰ）随反应温度升高而增大。
（4）提高温度，上述容器中进一步发生反应2SO3（g）⇌2SO2（g）＋O2（g）（Ⅱ），在同温同压下，不同气体的物质的量之比等于其分压之比，由于仅发生反应（Ⅰ）时peq \a\vs4\al(SO3)＝peq \a\vs4\al(SO2)，则peq \a\vs4\al(SO3)＋2peq \a\vs4\al(O2)＝peq \a\vs4\al(SO2)－2peq \a\vs4\al(O2)，因此，平衡时peq \a\vs4\al(O2)＝eq \f(p\a\vs4\al(SO2)－p\a\vs4\al(SO3),4)。在929K时，p总＝84.6kPa、peq \a\vs4\al(SO3)＝35.7kPa，则peq \a\vs4\al(SO3)＋peq \a\vs4\al(SO2)＋peq \a\vs4\al(O2)＝p总、peq \a\vs4\al(SO3)＋2peq \a\vs4\al(O2)＝peq \a\vs4\al(SO2)－2peq \a\vs4\al(O2)，联立方程组消去peq \a\vs4\al(O2)，可得3peq \a\vs4\al(SO3)＋5peq \a\vs4\al(SO2)＝4p总，代入相关数据可求出peq \a\vs4\al(SO2)＝46.26kPa，则peq \a\vs4\al(O2)＝84.6kPa－35.7kPa－46.26kPa＝2.64kPa，Kp（Ⅱ）＝eq \f(（46.26kPa）2×2.64kPa,（35.7kPa）2)＝eq \f(46.262×2.64,35.72)kPa。
3．答案：（1）－45
（2）（ⅱ） 在化学反应中，最大的能垒为速率控制步骤，而断开化学键的步骤都属于能垒，由于N≡N的键能比H—H键的大很多，因此，在上述反应机理中，速率控制步骤为（ⅱ）
（3）eq \f(7.8×2873NA,56×1030)
（4）①p1＜p2＜p3 合成氨的反应为气体分子数减少的反应，压强越大平衡时氨的摩尔分数越大 ②图4 ③33.33% eq \r(\f(1,432))
解析：（1）在化学反应中，断开化学键要消耗能量，形成化学键要释放能量，反应的焓变等于反应物的键能总和与生成物的键能总和的差，因此，由图1数据可知，反应eq \f(1,2)N2（g）＋eq \f(3,2)H2（g）===NH3（g）的ΔH＝（473＋654－436－397－339）kJ·ml－1＝－45kJ·ml－1。（2）由图1中信息可知，eq \f(1,2)N2（g）===N（g）的ΔH＝＋473kJ·ml－1，则N≡N的键能为946kJ·ml－1；eq \f(3,2)H2（g）===3H（g）的ΔH＝＋654kJ·ml－1，则H—H键的键能为436kJ·ml－1。在化学反应中，最大的能垒为速率控制步骤，而断开化学键的步骤都属于能垒，由于N≡N的键能比H—H键的大很多，因此，在上述反应机理中，速率控制步骤为（ⅱ）。（3）已知α­Fe属于立方晶系，晶胞参数a＝287pm，密度为7.8g·cm－3，设其晶胞中含有Fe的原子数为x，则α­Fe晶体密度ρ＝eq \f(56x×1030,NA·2873)g·cm－3＝7.8g·cm－3，解得x＝eq \f(7.8×2873NA,56×1030)，即α­Fe晶胞中含有Fe的原子数为eq \f(7.8×2873NA,56×1030)。（4）①合成氨的反应中，压强越大越有利于氨的合成，因此，压强越大平衡时氨的摩尔分数越大。由图中信息可知，在相同温度下，反应达平衡时氨的摩尔分数p1＜p2＜p3，因此，图中压强由小到大的顺序为p1＜p2＜p3，②对比图3和图4中的信息可知，在相同温度和相同压强下，图4中平衡时氨的摩尔分数较小。在恒压下充入惰性气体Ar，反应混合物中各组分的浓度减小，各组分的分压也减小，化学平衡要朝气体分子数增大的方向移动，因此，充入惰性气体Ar不利于合成氨，进料组成中含有惰性气体Ar的图是图4。③图3中，进料组成为xH2＝0.75、xN2＝0.25两者物质的量之比为3∶1。假设进料中氢气和氮气的物质的量分别为3ml和1ml，达到平衡时氮气的变化量为xml，则有：
N2（g）＋3H2（g）⇌2NH3（g）
始（ml）130
变（ml）x3x2x
平（ml）1－x3－3x2x
当p2＝20MPa、xNH3＝0.20时，xNH3＝eq \f(2x,4－2x)＝0.20，解得x＝eq \f(1,3)，则氮气的转化率α＝eq \f(1,3)≈33.33%，平衡时N2、H2、NH3的物质的量分别为eq \f(2,3)ml、2ml、eq \f(2,3)ml，其物质的量分数分别为eq \f(1,5)、eq \f(3,5)、eq \f(1,5)，则该温度下K′p＝eq \f(（\f(1,5)p2）2,\f(1,5)p2×（\f(3,5)p2）3)＝eq \f(25,27×400)（MPa）－2。因此，该温度时，反应eq \f(1,2)N2（g）＋eq \f(3,2)H2（g）⇌NH3（g）的平衡常数Kp＝eq \r(K′p)＝eq \r(\f(25,27×400)（MPa）－2)＝eq \r(\f(1,432))（MPa）－1。
4．答案：（1）< COOH*＋H*＋H2O*===COOH*＋2H*＋OH*
（2）BD
（3）x1 在其他条件一定时，转化率越大，反应物浓度越小，反应速率越慢 降低
（4）326.8℃、4 81
解析：（1）根据图甲，CO、H2O的总能量大于CO2、H2的总能量，所以该反应放热，水煤气变换反应的ΔH